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Jun

17

Ondas Gravitacionales confirmadas

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Ondas gravitacionales    ~    Comentarios Comments (3)

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Kip S. Thorne apostó por la existencia de las Ondas gravitacionales y fue el precursor de LIGO

 

El experimento LIGO de EE UU capta el “sonido” generado por la fusión de dos agujeros negros hace 1.400 millones de años

 Reportaje de prensa:  El Pais.
Reconstrucción de la fusión de los dos agureros negros

Hace 1.400 millones de años, dos agujeros negros varias veces mayores que el Sol se acercaron tanto uno a otro que acabaron devorándose. La unión provocó un violentísimo estallido de energía en forma de ondas gravitacionales, curvas en el tejido del universo que avanzaron en todas direcciones como olas en un estanque. Mientras, en la Tierra, apenas estaban apareciendo las primeras formas de vida con reproducción sexual. Tuvieron que pasar casi 1.000 millones de años más para que hubiese animales similares a los que conocemos hoy y casi otros 400 hasta el primer pariente común entre chimpancés y humanos. Los últimos momentos antes de que aquellas ondas llegasen a la Tierra abarcan toda la historia del ser humano, incluida la primera vez que Einstein razonó que dos agujeros negros deberían producir estas ondas y el esfuerzo consiguiente, muchas décadas después, para construir una de las mayores instalaciones científicas del mundo capaz de captarlas por primera vez.

Por fin, el 26 de diciembre de 2015, un día después de Navidad, el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), en EE UU, captó el eco producido por esos dos agujeros negros. Es la segunda vez que este experimento detecta ondas gravitacionales producidas por una fusión de dos agujeros negros y, aunque la segunda vez que pasa algo no es noticia, en esta ocasión sí lo es.

Esta nueva detección, que se anuncia hoy en una conferencia de prensa en San Diego (EEUU) y que se describe en un estudio publicado en Physical Review Letters, supone una confirmación de la Teoría de la Relatividad General en unos rangos de energía inalcanzables hasta ahora. Además confirma que la primera detección de LIGO no fue una casualidad y que este experimento se ha convertido ya en el primer observatorio capaz de “escuchar” el sonido de los fenómenos más violentos del universo, lo que nos da un nuevo sentido para percibir el cosmos.

 

 

¿Una tercera señal?

 

 

 

 LIGO puede haber captado una tercera señal de ondas gravitacionales, pero aún no está confirmada y posiblemente no puedan lograrlo, según explicó Fulvio Ricci, científico de Virgo, durante la rueda de prensa de hoy. El experimento está actualmente parado para mejoras y volverá a funcionar en otoño. A finales de año se le sumará Virgo, el gran detector de ondas gravitacionales europeo. A partir de entonces se espera captar fusiones de forma periódica e ir construyendo un mapa de la ubicación y frecuencia de estos fenómenos y otros incluso más difíciles de captar, como la fusión de dos estrellas de neutrones.

Durante la rueda de prensa de hoy, uno de los responsables de LIGO dijo que se espera que en una década haya hasta cinco observatorios de ondas gravitacionales funcionando en todo el mundo, lo que permitirá tener una resolución mucho mayor. Además de Virgo y LIGO, se espera que antes de 2024 comiencen a funcionar el Kagra, en Japón, y un clon del LIGO en India. “La era de la astronomía de ondas gravitacionales ha empezado”, ha señalado David Reitze.

La fusión observada corresponde a dos agujeros negros, uno 14 veces con más masa que el Sol y el otro ocho. Juntos formaron un solo agujero de 21 masas solares que está a 1.400 millones de años luz. En el momento de fundirse despidieron en un segundo toda la energía que alberga una estrella como el Sol. “La potencia máxima de este evento equivale a toda la luz del universo observable y su liberación creó esas ondulaciones que curvaron el universo”, explica Alicia Sintes, física de la Universidad de las Islas Baleares y líder del único grupo español que colabora en LIGO. El proyecto aúna unos 1.000 científicos de 15 países.

Esta fusión ha sido de menor intensidad que la primera, algo perfecto para los científicos, pues así los dos agujeros tardaron más en unirse. Esto ha permitido estudiar el fenómeno en mayor detalle, en concreto las últimas 27 órbitas de ambos objetos antes de la gran colisión.

“A partir de ahora ya somos capaces de observar fenómenos que hasta ahora no se conocían”, explica Sintes. “De hecho hasta ahora solo teníamos evidencias indirectas de la existencia de agujeros negros, a través de los rayos X”, resalta. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar a estos monstruos del cosmos, pero sí es posible escuchar las vibraciones que producen, perfectamente descritas por la relatividad, y conocer sus propiedades a través de ellas.

Más allá de la relatividad

 

 

 

Reconstrucción de la ubicación de los dos agujeros negros y las ondas generadas vistas desde el hemisferio sur Axel Mellinger

Detectar este tipo de fenómenos es un inmenso reto tecnológico. Las ondas pierden fuerza a medida que viajan por el universo y, al llegar a la Tierra, son casi imperceptibles, un problema que llevó al propio Einstein a decir que nunca se conseguiría demostrar su existencia. Para hacerse una idea, la nueva fusión produjo una perturbación en el espacio-tiempo tan ínfima que solo desvió los láseres de LIGO una distancia menor que la milésima parte del diámetro de un protón.

“Es una nueva era de la astronomía y de la física que se abre”, celebra Luis Álvarez-Gaumé, físico teórico y cosmólogo que trabaja en el laboratorio europeo de física de partículas CERN. “Vamos a aprender en detalle la dinámica de agujeros negros y estrellas de neutrones a base de medir estas fusiones directamente, y así verificar las ecuaciones de Einstein en regímenes donde todavía no habían sido verificadas”, destaca este científico, que no forma parte del equipo de LIGO. Lo más importante, dice, es que este tipo de instrumentos pueden por fin demostrar que hay fenómenos que se escapan a las leyes relativistas descubiertas por Einstein hace un siglo, lo que supondría un hallazgo capaz de hacer sombra al del genio alemán.

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Mar

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¿Ondas Gravitacionales? Veremos que dicen los datos futuros

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Ondas gravitacionales    ~    Comentarios Comments (1)

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El padre de LIGO: “Este evento ha causado una tormenta en la que se podría viajar en el tiempo”

El pionero del experimento que ha captado la primera onda gravitacional dice que el crédito del hallazgo es para los científicos jóvenes

Kip Thorne, en la rueda de prensa de ayer.
                   Kip Thorne, en la rueda de prensa de ayer. GARY CAMERON REUTERS

Kip Thorne es uno de los mayores expertos en agujeros negros del mundo. Desde ayer, también es un claro favorito al Nobel de Física. En los años setenta fue a contracorriente de la mayoría de la comunidad astronómica mundial. Al contrario que ellos, que se volcaban en el desarrollo de telescopios ópticos para captar la luz en todas sus longitudes de onda, él propuso una nueva forma de observar el cosmos, más bien de escucharlo, a través de las ondas gravitacionales. Este físico teórico ha desarrollado la mayor parte de su carrera en Caltech, donde impulsó la construcción del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) junto a Ronald Drever, también de Caltech, y Rainer Weiss, del MIT. Además, es una estrella de la divulgación -fue asesor científico de Interstellar– y prepara otra película con Stephen Hawking.

MÁS INFORMACIÓN

Ayer Thorne habló con EL PAÍS al teléfono desde Washington, donde presentó al mundo la primera detección de una onda gravitacional y el comienzo de esa nueva era de la astronomía que impulsó hace cuatro décadas.

¿Cómo se enteró del descubrimiento?

Estaba trabajando en casa por la mañana del 14 de septiembre y me mandaron un correo para que mirara la web interna de LIGO. Allí se almacenan automáticamente los resultados del experimento. Recibe los datos de Hanford y Luisiana [lugar de los dos detectores] y hace un gráfico de las frecuencias recibidas. Y en las detecciones de ambos sitios vi lo que llamamos una señal de pitido cuya frecuencia aumenta con el tiempo. Era exactamente la señal que esperábamos que produjeran las ondas gravitacionales. La miré y dije, “Dios mío, probablemente la tenemos, esto es demasiado bueno para ser verdad”.

 

Era exactamente la señal que esperábamos que produjeran las ondas gravitacionales. La miré y dije, “Dios mío, probablemente la tenemos, esto es demasiado bueno para ser verdad”

¿Cómo se siente tras este hallazgo?

La mayoría de los que han participado en la detección dicen que están entusiasmados. En mi caso, es un sentimiento de profunda satisfacción. He trabajado muy duro desde los años setenta, tanto en la construcción de LIGO como en el desarrollo de las simulaciones, para entender lo que vemos y que han jugado un papel fundamental.

¿Por qué son tan importantes estas ondas?

Son importantes por el futuro al que nos llevan. Por un lado hoy [por ayer] hemos hecho muchos descubrimientos pioneros. La primera detección de ondas gravitacionales llegando a la Tierra, la primera observación de dos agujeros negros chocando y uniéndose para crear uno nuevo, las simulaciones del evento, que nos permiten observar por primera vez cómo se comporta el espacio y el tiempo cuando ambos están oscilando de forma salvaje igual que en una tempestad en el océano.

 

Pero lo más importante es que se abre la observación humana a un nuevo tipo de radiación. Todo lo que hemos hecho hasta ahora esencialmente se basa en ondas electromagnéticas. Ahora accedemos a otro tipo de radiación completamente nuevo. En las próximas dos décadas vamos a ver el mismo desarrollo que en la astronomía convencional, comprenderemos cuatro tipos de ondas gravitacionales con diferentes periodos de oscilación y cada una nos dirá cosas muy diferentes del universo. Las ondas que hemos visto oscilan en periodos de milisegundos. Pero usando LISA, que será una antena espacial, algo así como LIGO en el espacio, vamos a captar periodos que son 1.000 veces más largos, de minutos a horas. Vamos a ver incluso periodos de años y décadas. Vamos a ver la marca que dejan en el cielo ondas que tienen periodos de miles de millones de años. Vamos a ver muchas cosas que no habíamos visto antes, y esto sucederá en las próximas dos décadas.

 

Vamos a ver muchas cosas que no habíamos visto antes, y esto sucederá en las próximas dos décadas

¿Quién debe recibir el crédito por este hallazgo?

El crédito es de los jóvenes científicos experimentales que han sacado este experimento adelante. Tanto en diseño, como en construcción, como en el análisis de datos. Es su descubrimiento.

¿Cree que le darán el Nobel?

No. El Premio Nobel debe ser para los grandiosos físicos experimentales que han hecho este descubrimiento, especialmente para Rai Weiss, el principal inventor de los interferómetros de LIGO. Él ha sido el líder intelectual de este esfuerzo durante 45 años, desde el principio hasta hoy.

¿Cómo sería estar cerca del evento que han observado?

Verías el tiempo acelerándose y atrasándose, verías el espacio estirarse y contraerse de forma muy violenta. Viajarías en el tiempo de alguna forma porque el tiempo correría hacia adelante más lento de lo normal y luego mucho más rápido, todo de forma salvaje. Es un evento muy breve solo dura una fracción de segundo. Así que lo que necesitamos es enviar un robot que pueda captarlo todo muy rápido. Nadie sobreviviría a un evento como este.

Fuente: El País

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Mar

4

A vueltas con las Ondas Gravitacionales

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Ondas gravitacionales    ~    Comentarios Comments (1)

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Hace ya algún tiempo que, en relación a las Ondas gravitacionales traje aquí un trabajo que sali´ço publicado en la Revista de Física de la R.S.E.F., y, ahora que está de moda el tema, lo traigo de nuevo para comparar las ideas viejas con las nuevas.


Desde sus comienzos la Astronomía ha estado dominada por el uso de instrumentos que detectan luz, desde los primeros telescopios ópticos hasta los más modernos detectores de rayos X y gamma. Fruto de este desarrollo han sido grandes descubrimientos que han ido configurando nuestra forma de comprender el Universo. Durante el siglo pasado se han empezado a desarrollar nuevas formas de Astronomía basadas en mensajeros diferentes a la luz: detectores de rayos cósmicos, de neutrinos y de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son una consecuencia de la Teoría General de la Relatividad de Einstein y corresponden a oscilaciones de la geometría del espacio-tiempo que se propagan de forma similar a las ondas electromagnéticas. La debilidad de la fuerza gravitatoria hace que la detección de estas ondas suponga un gran reto tecnológico. Sin embargo, desde el punto de vista científico son una gran oportunidad, ya que transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes que la generaron, la cual en muchos de los casos es difícil o imposible de obtener por otros medios. Este artículo es una introducción a la Astronomía de Ondas Gravitatorias, a sus métodos, a su estado actual y sobre todo a las grandes perspectivas que ofrece con la apertura de una nueva ventana a la exploración del Universo que tendrá un gran impacto tanto en Astrofísica como en Cosmología e incluso en Física Fundamental.

Dentro del marco de la Física Teórica, la gravedad aparece como una de las cuatro interacciones fundamentales, siendo las otras tres la electromagnética y las interacciones nucleares débil y fuerte. Electromagnetismo y gravitación son las dos únicas interacciones de largo rango de acción (en principio limitado), en contraposición a las dos interacciones nucleares, cuyo rango de acción está limitado esencialmente a regiones cuyo tamaño es del orden de un núcleo atómico o inferior. Una consecuencia directa de esto es que las interacciones nucleares no pueden transportar información a distancias macroscópicas y por lo tanto no son de utilidad para la Astronomía. Las otras dos, electromagnetismo y gravedad, se propagan a través del espacio a la velocidad de la luz, tal y como nos indican las teorías de Maxwell y Einstein respectivamente, y tal como comprobamos en diferentes observaciones y experimentos. Lo que determina la fuerza que estas interacciones producen son su intensidad y las correspondientes susceptibilidades de la materia a ellas, lo que denominamos cargas, la carga eléctrica en el caso electromagnético y la masa en el caso gravitatorio. En la naturaleza observamos que la interacción electromagnética produce fuerzas que son muchos órdenes de magnitud superiores a la de la gravitatoria, que es la más débil de todas las interacciones. Por lo tanto, no es de extrañar que la Astronomía haya estado dominada completamente por detectores de ondas electromagnéticas y fotones (las partículas cuánticas asociadas a campos electromagnéticos), desde telescopios ópticos hasta detectores de rayos X y gamma, incluyendo antenas de radio. Gracias a estos instrumentos la Astronomía ha producido grandes revoluciones que han cambiado nuestra percepción del Universo: Desde la Copernicana, que comenzó en el siglo XVI, hasta los descubrimientos en cosmología, que comenzaron en el siglo XX y continúan hoy día.

Pero no todo lo que se mide u observa en astronomía es luz, hay otros mensajeros que nos informan sobre lo que sucede en diferentes lugares de nuestro Universo: meteoritos, neutrinos, rayos cósmicos (protones, electrones, etc.), ondas gravitatorias. Los meteoritos nos dan información de nuestro entorno local, principalmente del Sistema Solar. Los neutrinos y rayos cósmicos pueden provenir desde nuestro entorno local hasta galaxias muy distantes. La detección de estas partículas, mediante técnicas similares a las empleadas en aceleradores de partículas, ha dado lugar a una nueva área de investigación muy activa denominada Astropartículas. El mensajero del que trata este artículo son las ondas gravitatorias y su empleo para la investigación astronómica constituye lo que denominamos Astronomía de Ondas Gravitatorias.

Las ondas gravitatorias son una predicción de la Teoría General de la Relatividad (conocida comúnmente como Relatividad General) propuesta por Albert Einstein (1915) para incluir la gravitación en la estructura espacio-temporal propuesta por él mismo en su Teoría Especial de la Relatividad (1905). Uno de los aspectos más destacados de esta teoría es que el espacio deja de ser un simple contenedor  de los fenómenos físicos para convertirse en un objeto dinámico, en el sentido que su geometría cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía. No solo eso, al tiempo físico le sucede algo similar, de forma que su transcurso también depende de la distribución de masa y energía. En la Teoría de la Relatividad espacio y tiempo aparecen como una única estructura que denominamos espacio-tiempo, cuya geometría está determinada por la distribución de masa y energía, y a su vez,  la geometría determina el movimiento de la materia y de la energía. De esta forma, la gravedad aparece como una manifestación de la geometría espacio-tiempo, una elegante implementación del principio Galileano de que todos los objetos, independientemente de su masa y composición, caen con la misma aceleración. Una consecuencia del carácter dinámico del espacio-tiempo en la Relatividad General es que las oscilaciones de su geometría se propagan como ondas con una velocidad, medida localmente, exactamente igual a la velocidad de la luz. Las ondas gravitatorias, al cambiar la geometría local de las regiones que atraviesan, cambian la distancia física entre objetos, siendo dicho cambio proporcional a la distancia misma y a la amplitud de ondas.

Como en el caso electromagmético este es un efecto transverso, es decir, los cambios en la distancia se producen en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda gravitatoria. Además, tanto ondas electromagnéticas como gravitatorias tienen dos estados de polarización independientes, aunque en teorías de la gravedad alternativas a la Relatividad General puede haber hasta seis polarizaciones independientes. Una diferencia importante entre ondas electromagnéticas y gravitatorias tiene que ver con su generación. En el contexto astronómico, las ondas electromagnéticas se generan por cargas aceleradas (emisión predominantemente dipolar), como por ejemplo electrones, cuyo tamaño es muy inferior al de los objetos de los que forman parte y como consecuencia, pueden emitir luz en una longitud de onda suficientemente pequeña como para realizar imágenes de objetos astronómicos. En contraste,  las ondas gravitatorias se generan por cambios temporales de la distribución de masa-energía de un objeto (radiación predominantemente cuadrupolar), y por este motivo sus longitudes de onda suelen ser del orden del tamaño del objeto que las genera o mayores, con lo cual no es posible en general realizar imágenes. En ese sentido se podría decir que la Astronomía de Ondas Gravitatorias está más cercana a la Acústica que a la Óptica.

La relativa debilidad de la gravedad es la causa de que las ondas gravitatorias tengan una amplitud relativamente pequeña y que su detección sea una empresa extremadamente complicada. Ondas gravitatorias producidas por fuentes galácticas, como la colisión de dos estrellas de neutrones, inducen desplazamientos del orden del tamaño de un núcleo atómico o inferiores en un detector terrestre de un kilómetro de tamaño. La gran ventaja que proporcionan las ondas gravitatorias es que por su débil interacción con la materia transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes astronómicas que las generaron.

La construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico, y tal empresa no comenzó hasta los años sesenta, con el trabajo pionero de Joseph Weber en detectores resonantes. El principio de funcionamiento de estos detectores de basa en que una onda gravitatoria que atraviese un sólido cambiará su tamaño de forma oscilatoria, excitando de esta forma sus modos propios de oscilación. La idea por lo tanto es crear un dispositivo que sea sensible a las oscilaciones del sólido y nos permita extraer la señal gravitatoria que las ha producido. Varios detectores de este tipo, la mayoría con forma cilíndrica, se han construido en varias partes del mundo y, contrariamente a las aseveraciones de detección de Weber en los años 70, no han conseguido hasta la fecha detectar ondas gravitatorias. De hecho, ningún tipo de detector las ha detectado. Entonces, ¿estamos seguros de que las ondas gravitatorias existen? ¿Tenemos alguna evidencia de su existencia?

La respuesta a estas preguntas es que sí, y el principal argumento nos lo proporcionó el descubrimiento en 1974 del primer pulsar binario, PSR B1913+16, por Russell Hulse y Joseph Taylor, lo que les valió el premio Nobel de Física en el año 1993. Los púlsares son estrellas de neutrones dotadas de un enorme campo magnético que acelera partículas cargadas produciendo la emisión de un haz de radiación electromagnética en la dirección del eje magnético. Como el eje magnético no suele estar alineado con el eje de rotación, esta emisión electromagnética describe un cono, convirtiendo los púlsares en faros cósmicos. Si nuestro planeta se encuentra en la dirección del cono de emisión del púlsar observaremos una serie de pulsos de radio, que en caso de los púlsares con rotación más rápida se dan con un ritmo tan uniforme que los convierte en relojes de precisión comparable a los relojes atómicos (¡el púlsar más rápido conocido completa más de 700 revoluciones por segundo! El de Hulse y Taylor 17). Esto permite observaciones astronómicas de una precisión sin precedentes. El púlsar de Hulse y Taylor orbita alrededor de otra estrella de neutrones de forma que el tamaño de la órbita es suficientemente pequeño (la distancia mínima entre ellas es aproximadamente la mitad de la distancia de la Tierra al Sol) como para que estas estrellas tan compactas (tienen una masa un poco inferior a una vez y media la masa del Sol pero un radio de tan sólo unos diez kilómetros) se muevan de forma que los efectos relativistas importen para un descripción precisa de sistema.

En concreto, el movimiento orbital periódico de tales masas con velocidades considerables (cientos de kilómetros por segundo respecto del centro de masas  del sistema binario) produce cambios periódicos significativos en la geometría del espacio-tiempo de su entorno. Y estos cambios  periódicos en la geometría no son más que ondas gravitatorias que se propagan en todas las direcciones llevándose consigo energía y momento angular del sistema. Esta emisión gravitatoria afecta a su vez al movimiento orbital, disminuyendo su tamaño y periodo orbital, tal y como se observa. También se pueden observar otros efectos relativistas como la precesión del periastro de la órbita. Los 35 años de observaciones del púlsar binario de Hulse y Taylor han permitido comprobar que la evolución de su órbita coincide con la predicha por el mecanismo de emisión de radiación gravitatoria de la Relatividad General con una precisión relativa del 0.2%. Actualmente se conocen otros púlsares binarios y algunos de ellos también se encuentran en un régimen relativista. El denominado púlsar doble, PSR J0737-3039A/B, un sistema binario compuesto por dos púlsares, se ha convertido recientemente en el mejor test disponible de la Relatividad General, alcanzado precisiones relativas del 0.05%.

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Estos descubrimientos han contribuido a impulsar el desarrollo de detectores de ondas gravitatorias, y los que hoy en día han alcanzado una mayor sensibilidad son los llamados detectores interferométricos. Son básicamente interferómetros del tipo Michelson-Morley dispuestos en una forma de L y el concepto de funcionamiento es relativamente simple: cuando una onda gravitatoria incide perpendicularmente al plano del detector produce cambios en la longitud de los brazos del interferómetro, de forma que mientras uno se acorta el otro se alarga y viceversa. Estos cambios dan lugar a interferencias de las cuales se puede inferir el patrón de las ondas gravitatorias que han atravesado el detector. Actualmente hay varios detectores interferométricos terrestres en operación:

Detector LIGO de ondas gravitatorias

Uno de los dos detectores LIGO, situado en Livingston (Luisiana), con brazos de cuatro kilómetros de longitud.- LIGO/CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY. LIGO en los Estados Unidos (dos de 4 km y uno de 2 km de brazo).

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Recreación de la señal GW150914 (LIGO).
 

Los resultados negativos de los interferómetros terrestres tipo LIGO hicieron que muchos investigadores criticasen el gasto de esta iniciativa (1100 millones de dólares en los últimos 40 años) y comenzasen a apostar seriamente por otra técnica, denominada PTA (Pulsar Timing Array). Este método, completamente distinto e independiente de los inteferómetros terrestres, consiste en usar la señal emitida por varios púlsares -estrellas de neutrones que emiten señales de radio muy precisas al girar- como detectores de ondas gravitacionales. Sin embargo, finalmente ha sido LIGO el que se ha llevado el gato al agua, aunque si Advanced Virgo hubiera estado funcionando el día de la detección probablemente también hubiera descubierto la señal. Además de la GW150914, durante el primer mes de operaciones AdvLIGO también detectó otra señal, LVT151012, mucho más débil. Todavía no está claro si se trata de una señal real o no. La gran pregunta es, ¿se trata GW150914 de una señal poco frecuente o es algo común en el Universo? Todavía no lo sabemos. El objetivo principal de LIGO y los demás detectores es precisamente medir la frecuencia de estos sucesos tan energéticos.

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VIRGO en Italia con participación de varios países europeos (3 km de brazo); GEO600 en Alemania con participación británica (600 m de brazo). Aparte hay varios proyectos en desarrollo en diversas partes del planeta, como por ejemplo el LCGT en Japón 83 km de brazo), un ambicioso proyecto recientemente aprobado que sustituye al anterior detector TAMA y al prototipo CLIO, y que se convertirá en el primer detector interferométrico de tipo criogénico. La banda de frecuencias a la que operan está contenida en el rango 10- 10000 Hz. A frecuencias más bajas están limitados por ruido sísmico y el gradiente gravitatorio, mientras que a frecuencias más altas están limitados por el ruido de los fotodetectores. Pese a que no se han realizado aún detecciones, observaciones de LIGO han servido para producir nueva ciencia mediante el análisis de las consecuencias de las no detecciones al nivel de sensibilidad actual. Se pueden destacar dos resultados: (1) En la constelación del Cangrejo hay un púlsar joven resultado de una supernova (explosión de una estrella). La frecuencia rotacional de este púlsar disminuye con el tiempo.

Observatorio de ondas gravitatorias con Interferómetro Láser (LIGO) ubicado en Louisiana&Washington, USA
Observatorio de ondas gravitatorias con Interferómetro Láser (LIGO) ubicado en Louisiana&Washington, USA

LIGO ha limitado a un 4% la contribución de una hipotética emisión de radiación gravitatoria, lo cual excluye diversos modelos astrofísicos que trataban de explicar este fenómeno. (2) La teoría cosmológica de la gran explosión (Big Bang) requiere una fase primitiva de gran expansión del Universo que daría lugar, entre otras cosas, a un fondo de radiación gravitatoria. Las observaciones de LIGO han puesto límites a la densidad de energía almacenada en este fondo, mejorando los límites impuestos por la teoría de formación de elementos primordiales, parte a su vez del modelo estándar de la Cosmología. Durante el presente año, tanto LIGO como VIRGO pararán las operaciones para incorporar tecnología avanzada: mejora de los sistemas de vacío, láseres de precisión más potentes y mejoras de los sistemas ópticos y mecánicos. Con esto se logrará una mejora de un orden de magnitud en la sensibilidad, lo cual equivale a aumentar en tres órdenes de magnitud el volumen del cosmos que cubrirán. Al mismo tiempo se realizará la construcción del detector criogénico LCGT en la mina de Kamioka (Japón). Una vez estos modelos avanzados entren en operación se espera que realicen detecciones de radiación gravitatoria con un ritmo, de acuerdo con los pronósticos astrofísicos sobre la información de las fuentes de ondas gravitatorias relevantes, de 10-1000 eventos por año.

Cuando dos galaxias se fusionan, sus agujeros negros centrales entran en colisión y, las ondas gravitacionales que pueden generar podráin traernos información del suceso que, hasta el momento, no hemos podido detectar y, sería, una nueva manera de mirar el Universo.

Las principales fuentes astrofísicas y cosmológicas para estos detectores terrestres son: colisiones de sistemas binarios formados por agujeros negros estelares y/o estrellas de neutrones; oscilaciones de estrellas relativistas; supernovas; fondos cosmológicos de diverso origen. Estas observaciones revelarán información clave para entender la formación de objetos compactos estelares, la ecuación de estado de estrellas de neutrones, la validez de la Relatividad General, etc.

Por otra parte, la Agencia Europea del Espacio (ESA) y la Administración Nacional para el Espacio y la Aeronáutica norteamericana (NASA) colaboran en la construcción de un observatorio espacial de ondas gravitatorias, la Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA), que se espera que se lance durante la década de 2020. Hay dos motivos de peso para construir un observatorio espacial. El primero es cubrir la banda de bajas frecuencias, en el rango 3x10⁻⁵ – 0.1 Hz, inaccesible a los detectores terrestres. El segundo es que esta banda de frecuencias da acceso a fuentes de ondas gravitatorias y a una ciencia completamente diferente, con muchas más implicaciones para el panorama de la Astrofísica y la Cosmología. LISA se compone de tres naves espaciales dispuestas en un triángulo equilátero, de 5 millones de kilómetros de lado, y que siguen una órbita alrededor del Sol. Para que la dinámica propia de cada nave preserve lo más posible la configuración triangular, esta ha de estar inclinada 60º respecto del plano de la eclíptica. De esta forma el triángulo gira sobre su baricentro una vez por año/órbita, lo cual introduce una modulación en las señales gravitatorias que es muy útil para localizar los objetos que las emitieron. LISA es una misión con una tecnología muy novedosa y exigente que una misión precursora de la ESA, LISA PathFinder, se encargará de demostrar. Nuestro grupo en el Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC) participa en el desarrollo de esta misión contribuyendo con algunos instrumentos fundamentales, como por ejemplo el ordenador que controlará el denominado LISA Technology Package,  el conjunto de experimentos que LISA PathFinder realizará.

Pasando a la parte científica de LISA, uno de los principales puntos a resaltar es el hecho de que actualmente LISA es el único proyecto de detector de radiación gravitatoria del que conocemos fuentes garantizadas. Se trata de sistemas binarios galácticos con periodos inferiores a 2 horas, conocidos como binarias de verificación ya que serán muy útiles para la calibración de LISA. Además, se espera que LISA observe principalmente las siguientes fuentes de ondas gravitatorias: Sistemas estelares binarios en nuestra galaxia y algunos extragalácticos. LISA detectará varios millones de estos sistemas, la mayor parte de los cuales formarán un fondo de radiación gravitatoria y los más brillantes podrán resolverse y separarse de este fondo. Caída orbital y colisión de agujeros negros supermasivos. Las observaciones astronómicas nos proporcionan evidencia de que prácticamente todas las galaxias contienen un agujero negro en su núcleo central y que estas, a lo largo de su historia, han sufrido varias colisiones con otras galaxias. Cuando dos galaxias colisionan para formar una nueva, sus respectivos agujeros negros migran hacia el nuevo núcleo debido a la fricción dinámica, donde forman un sistema binario cuya órbita, a partir de un determinado momento, se reducirá por emisión de radiación gravitatoria hasta la colisión final, que resultará en la formación de un único agujero negro.

LISA será capaz de detectar todas estas colisiones dentro de nuestro Universo observable. La captura y posterior caída orbital de objetos estelares compactos (enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros estelares) hacia agujeros negros supermasivos. En el núcleo galáctico, en torno a los agujeros negros supermasivos, hay una gran concentración de objetos estelares compactos. Eventualmente, y debido a interacciones gravitatorias entre ellos, uno de estos objetos estelares puede ser capturado por la gravedad del agujero negro supermasivo e iniciar una larga caída en espiral hacia este (debido a la emisión de radiación gravitatoria del sistema) hasta ser finalmente absorbido por él. Esta caída es lenta. De tal forma que LISA podrá detectar la radiación gravitatoria emitida durante cientos de miles  de órbitas durante el último año de uno de estos sistemas, y esto supone que podremos extraer sus parámetros físicos co una gran precisión. Fondos de radiación gravitatoria de origen cosmológico. De acuerdo con esa mayoría de mecanismos teóricos que los predicen, el espectro de estos fondos es muy amplio (en algunos casos es plano o ligeramente inclinado) y pueden ser observados por detectores que operen en diferentes partes del espectro gravitatorio.

 Archivo:Star collapse to black hole.png

 En la imagen se reproducen las ondas gravitatorias emitidas por una estrella durante su colapso. En las ecuaciones de Einstein se descubre el misterioso proceso que ocurre en las estrellas al final de sus vidas y de como se convierten en agujeros negros.

La detección de las fuentes descritas permitirá desarrollar una ciencia muy amplia y revolucionaria, que influenciará tanto la Astrofísica y la Cosmología como la Física Fundamental. Sobre la ciencia que se espera desarrollar con LISA podemos destacar: comprensión de la dinámica de los núcleos galácticos; comprobar la validez de diferentes modelos de formación de galaxias; comprobar si los agujeros negros son como los describe la Relatividad General (caracterizados únicamente por su masa y momento angular intrínseco); poner a prueba teorías alternativas a la Relatividad General; etc.

Aparte de los detectores de ondas gravitatorias descritos, se ha propuesto otra forma de detectar ondas gravitatorias basada en el ajuste temporal (timing)  de un conjunto de púlsares con periodos del orden de milisegundos. Cuando una onda gravitatoria pasa a través de la región entre los púlsares y la Tierra produce cambios en los tiempos de llegada de los pulsos. Con una tecnología adecuada, un buen número de púlsares (un par de decenas) y un tiempo de observación suficientemente largo (unos diez años), la presencia de ondas gravitatorias, en la banda ultra baja, entre 10⁻⁹ y 10⁻⁷ Hz, puede ser detectada. Las fuentes en esta banda incluyen los agujeros negros más masivos, con masas superiores a cientos de millones de veces la masa del Sol, y fondos de radiación gravitatoria de origen diverso.

    Cuando dominemos la técnica de captar las ondas gravitatorias, tendremos una nueva manera de ver el Universo

La Astronomía de Ondas Gravitatorias se inició durante la segunda mitad del siglo pasado y ha de tener su época de esplendor a lo largo de la primera mitad del presente, con la puesta en funcionamiento de la segunda generación de detectores terrestres como LIGO, VIRGO, Y LCGT, con el futuro observatorio espacial LISA, con la observación de múltiples púlsares y con el desarrollo de proyectos de tercera generación que están siendo actualmente debatidos y diseñados. Cada vez que en Astronomía se ha abierto una nueva ventana a la exploración del Universo (infrarroja, radio, rayos X, rayos gamma, etc.) se han realizado grandes descubrimientos. Muchos de ellos han consistido en la aparición de nuevos objetos astronómicos y/o nuevos fenómenos físicos, la mayoría de veces de forma inesperada. La Astronomía de Ondas Gravitatorias abrirá una nueva ventana usando una nueva herramienta, un nuevo mensajero cósmico, la gravedad, y con ello nos esperan nuevas sorpresas y grandes descubrimientos que pueden cambiar nuestra forma de ver el Universo.

Fuente:

Revista de Física, volumen 25 nº 2/2011

Autores: Alberto Lobo y Carlos F. Sopuerta

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Mar

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No, no se han detectado las Ondas Gravitacionales

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Foto de perfil de Ricard Jiménez

Público
NO, NO SE HAN DETECTADO LAS ONDAS GRAVITACIONALES.Y el argumento es que, materialmente, es imposible hacerlo.

Cuando se formula una nueva teoría de alcance universal lo normal sería que explicara alguno (aunque sólo fuera uno) de los muchos misterios del Universo. La teoría de las ondas gravitacionales no lo hace, sino que lo dice es que lo hará a su “debido tiempo”.

 

Una nueva teoría debería ser susceptible de poder ser refutada. Lo que se conoce como “método científico”. Tampoco es el caso. La teoría gravitacional tan sólo admite que podamos hacer el mismo tipo de experimento, para así reafirmar sus argumentos. Pero como no permite duplicar ninguno de ellos, nos hemos de creer que lo que dice es cierto. En términos técnicos diríamos que…. Una vez que la onda ha pasado nunca jamás puede volver a ser “rastreada”.

 

 

 

 

Cuando una nueva teoría introduce más variables de las que teníamos (en este caso, las ondas gravitacionales y los agujeros negros) y, aún así, sigue sin proporcionar respuestas incumple una regla básica. Esta regla normalmente se conoce como la “Navaja de Occam” y dictamina que la explicación correcta es la que menos variables necesita. En otras palabras, la más sencilla.

Una teoría que dice refutar una teoría ya existente (en este caso, la teoría de la relatividad general) no es una teoría en sí misma; Tan sólo trata de reafirmar lo que ya se sabía.

Si además dicha teoría no complementa o aglutina, sino que es contraría a la mayor parte del conocimiento del Universo que ya teníamos, deberíamos ser críticos y plantearnos dudas al respecto. Pero ante tanto argumento técnico se diluye el consabido espíritu crítico y nadie osa objetar nada al respecto.

 

 

 

 

La teoría gravitacional es contraría, por ejemplo, a la existencia de las múltiples dimensiones superiores que establece la teoría de cuerdas, la única que (hasta ahora) ha demostrado tener la capacidad de ser una teoría completa del Universo.También incumple un principio básico que creíamos ya superado y es el de que no existen “monopolos” en el Universo; Es decir, que nada es independiente y todo está relacionado.

Hasta ahora sabíamos que una onda era la unión de dos interacciones opuestas: la interacción eléctrica y la interacción magnética. Ahora el escenario ha cambiado, pues una onda magnética o gravitatoria resulta que tiene un comportamiento independiente.

La realidad es distinta. Lo único que hace la teoría gravitacional es interpretar a su manera las leyes de la relatividad general, y proporcionar unos resultados consistentes con lo que se ha interpretado. Además utiliza un criterio de fiabilidad consistente en la respuesta probabilística, lo que es evidentemente contrario a la formulación lógica y matemática en que nos basamos.

 

 

 

Hay que destacar que una onda de gravedad sería la función de onda de la propia partícula, cuyo movimiento la origina: el “gravitón”. Pero hay un problema, que el gravitón nunca jamás se ha detectado; Es decir, no sabemos si existe en realidad. Literalmente podríamos decir que la foto oficial de una onda (lo que LIGO nos proporciona) es algo así como la foto de… “un fantasma”.

Entonces nos encontramos con un escenario en el que… partiendo de una teoría abstracta en su totalidad (como es la ley de la relatividad general) y, basándonos en dos “entes” aún más abstractos (como son los agujeros negros) damos una existencia verdadera (la propia onda de gravedad) a algo que no sabemos si existe en realidad (el propio gravitón).

Si aceptamos que es correcta la teoría gravitacional (es decir, que 1.000 científicos no se pueden equivocar) lo que estamos haciendo es diciendo adiós a la posibilidad de que haya “algo más”, algo que no se puede detectar pero, que sin embargo, forma parte de nuestra existencia. Lo que estamos haciendo es tratar de “ajustar” todo lo que existe al mundo material.

 

Menbranas de la que surgen universos que se expanden

 

 

Pero es imposible hacer esto. La teoría de la relatividad general también predice el big-bang, algo que (por concepto) está fuera del espacio-tiempo. Esto nos lleva a una contradicción y es que si la teoría gravitacional es correcta y refuta la teoría de la relatividad general, ¿Cómo explicar la existencia de algo que es independiente del propio espacio-tiempo?. No hay que olvidar que la relatividad general exige la presencia de un plano matemático llamado imaginario, un plano que (extendido al plano físico) no existe en realidad, pero que es necesario para dar sentido a sus ecuaciones.
La teoría gravitacional no es más que un inmenso y sofisticado “cuento” y éstas son (algunos, sólo algunos) de los argumentos al respecto:

 

 

 

La VERDADERA ESENCIA de las leyes de la relatividad espacio temporal de Einstein residen en unos principios aun más sencillos, que son los principios del movimiento relativo de Galileo.

Es el ejemplo del pasajero que se desplaza sobre un tren que está en movimiento. Cuando además introducimos la relatividad temporal tendríamos la paradoja del gemelo viajero, al que no parece afectarle demasiado el paso del tiempo. Un ejemplo vale mas que 1.000 argumentos.

Si detectamos el movimiento de una onda (aunque sea de gravedad) y además podemos datar su fecha de emisión, esto implica que la onda se ha desplazado siguiendo un movimiento uniforme. Pero entonces…

¿DONDE ESTÁ EL MOVIMIENTO QUE FALTA?

 

 

Puesto de comando.

Puesto de comando del proyecto LIGO

 

Porque según LIGO una onda gravitacional no depende de nada y por esto, precisamente, puede ser detectada. Pero. . ¿No está incumpliendo los principios en que se basan las leyes de la relatividad?

La pregunta fundamental es esta: Si consideramos un espacio tiempo fijo e inmutable que podemos cartografiar y que es independiente de su vertiente temporal (que es lo que implica que no podamos rastrear el origen de la onda gravitacional)… ¿Existe otro espacio/tiempo, existe otro movimiento en el universo que no podemos duplicar experimentalmente?

 

 

 

 

Pues resulta que si, que existe. Se trata de la propia EXPANSION DEL UNIVERSO; A veces llamada constante cosmológica, matería oscura, o el movimiento que se crea de la “nada” (la energía del vacio). El problema es que no es un movimiento básicamente espacial, sino que es un movimiento que tiene lugar en el tiempo. O . . . más «exactamente» en algún «lugar» indeterminado donde el tiempo juega (desde nuestra perspectiva) un papel primordial.

Este movimiento espacio y sobretodo temporal, la mal llamada «constante» cosmológica, implica que la onda se desplaza sobre un “sustento” que, a su vez, se está expandiendo. Este movimiento no es tenido en cuenta por LIGO. Dado que no podemos tomar medidas en el pasado ni por supuesto tampoco en el futuro, podremos razonar sobre este concepto, pero nunca podríamos refutarlo con ningún tipo de experimento. Aún si pudiéramos hacerlo, dado que la expansión del universo es de tipo exponencial, ello implicaría recalibrar a cada momento los instrumentos.

La teoría gravitacional, en contra de los principios en los que se basa, no permite ser refutada, pues no permite el «desplazamiento» en el tiempo para rastrear de nuevo el origen de la señal. Para entendernos, la teoría gravitacional tan sólo permite que nos movamos en el sentido del tiempo, no nos permite girar sobre nuestros pasos para verificar que avanzamos en el sentido correcto.

 

 

 

Esta teoría es contraria a la relatividad general, donde precisamente es el entrelazamiento entre el paso del tiempo y la velocidad (la paradoja del viajero) el que crea la función de onda y, de ahí (precisamente) su forma curvada… ¿Puede ser algo, sea lo que sea, independiente incluso de su creador?

No, no se han detectado las ondas gravitacionales. El único «equipo» de detección capaz de hacerlo es nuestro cerebro. Es el único punto de confluencia de una doble onda espacio tiempo, la verdadera esencia de cualquier onda del Universo.

El interferómetro LIGO es un intento desesperado de poner unas barreras imaginarias (o razonadas) al espacio tiempo. Pero hay un problema. No existe fuerza en el universo capaz de detener la expansión de una onda, porque incrementa su fuerza a cada movimiento.

 

 

Dibujo20140716 ligo facility - graphic - nature com

 

LIGO tan sólo nos proporciona una foto. Y ahí reside el problema, que una foto no puede recoger el movimiento. Si una onda gravitacional es tetra-dimensional lo que debería proporcionarnos es una especie de holograma tridimensional, donde dentro pudiéramos contemplar cómo se desplaza la onda. Pero esto, técnicamente no podemos hacerlo.

Puede que nuestro universo esté acotado, es cierto, pero eso no impide que también sea eterno, que sea un ciclo infinito en si mismo.
La existencia independiente de las ondas gravitacionales niega nuestra esencia, pues nos dicen que nuestra existencia no es eterna, sino que es limitada. Esta es la misión de la ciencia.

La física niega nuestra esencia y se centra en nuestra existencia. La religión hace justo lo contrario. Pero. . . ¿Cuál es la diferencia?
La diferencia es la conciencia, lo único que es independiente y al mismo tiempo depende de todo.Como decía el gran físico Wheeler, de lo que se trata es de integrar nuestra existencia con el universo. De eso se trata. Y todo lo demás es un cuento para que podamos conciliar el sueño.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Planteate lo siguiente. Cuando observamos el Universo no lo vemos como es ahora, sino que lo que vemos esel pasado. Si en lugar de mirar “hacía afuera” miráramos hacía dentro (lo que conocemos como “sueños”) ¿Qué veríamos en realidad?.
Según la teoría gravitacional no existe esta posibilidad, no es el observador el que crea la realidad.

Pero entonces… ¿Quién dice la verdad? Nos hemos de basar ahora en la autoridad de los argumentos y no en los experimentos?

 

 

 

El sonido que LIGO nos proporciona no es el sonido de la onda. Lo único que indica este sonido es que dicha teoría “chirría”. En el vacío no hay rozamiento.

Podemos considerar que el movimiento es lo que pasa entre dos instantes diferentes de tiempo, pero también podemos pensar en él en otros términos. Siempre puede haber una visión opuesta, esta es la esencia de la relatividad.

Para la ciencia se puede sintetizar el movimiento en una foto perfecta. Pero existe otra posibilidad. Porque la unica manera de apreciar el movimiento en una foto, es que dicha foto este distorsionada.

Si existe una velocidad limite en el universo, una velocidad que nunca podremos alcanzar, cualquier foto «mental» que hagamos siempre saldrá distorsionada.

Simplifiquemos aun más las leyes de la relatividad. Todo está en movimiento porque todo está relacionado. No hay un momento perfecto para detenerlo. Siempre será indeterminado.

El resumen final, todo depende. . . ¡Siempre!. ¿De que depende? No importa de que depende.

Todo está relacionado, porque todo tiene su opuesto. La ley fundamental, causa y efecto, que son precisamente las leyes de gravedad.

Todo tiende a la forma de una onda, una onda fuera de nuestro espacio tiempo habitual. En otras palabras, un cambio de mentalidad.

 

Foto
Autor: Ricard Jiménez.
Nota: Le pido disculpas a Don Ricard Jiménes por haber añadido algunas imágenes a su trabajo, simplemete trataba de hacer más amena su lectura al lector al hacer pequeñas paradas para verlas. Gracias amigo.
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Feb

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Nuevas maneras de mirar el Universo

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El gráfico representa un modelo de manguera de un espacio-tiempo de dimensiones más altas de tipo Kaluza-Kleim donde la longitud, o mejor, la dimensión a lo largo de la longitud de la manguera representa el 4-espacio-tiempo normal, y la dimensión alrededor de la manguera representa la dimensión extra “pequeñas” (quizá escala de Planck). Imaginemos un “ser” que habite en este mundo, que rebasa estas dimensiones extra “pequeñas”, y por ello no es realmente consciente de ellas.

 

Foto

Nunca hemos dejado de explorar nuevos caminos:

“Las últimas noticias que llegan sobre descubrimientos del Cosmos, siguen siendo publicadas en todos los medios.”

“Un equipo internacional de científicos ha detectado los sutiles temblores del universo un instante después de su origen. Un telescopio estadounidense en el mismísimo polo Sur ha logrado captar esas huellas en el cielo que suponen un espaldarazo definitivo a la teoría que mejor explica los primeros momentos del cosmos, denominada inflación y propuesta hace más de tres décadas. Esa inflación fue un crecimiento enorme y muy rápido del espacio-tiempo inicial y, a partir de ese momento, el universo siguió expandiéndose pausadamente, hasta ahora, 13.800 millones de años después. Es la teoría del Big Bang, pero con un complemento fundamental al principio de todo. Como dice Alan Guth, el científico estadounidense que propuso, a principio de los ochenta, la inflación cósmica, “exploramos el bang del Big Bang”.

Lo que sí parece cierto es que, cuando sepamos capturar y leer las ondas gravitatorias que estamos buscando para tratar de traducir los mensajes que nos envían muchos fenómenos que ocurrieron y siguen ocurriendo en el Univero, entonces, habremos logrado decorrer el velo que ahora impide conocer un nuevo “universo” con otros escenarios y otras perspectivas. Muchos son los autores que nos han hablado de ellas y, por fín, parece que van siendo localizadas.

Ondas gravitatorias que salen de un agujero negro pulsante expandiéndose por el espacio a inconmensurables  distancias, como si de las ondas formadas en un tranquilo lago se tratara, las de gravedad, funcionan de forma similar.

                  Ondas gravitatorias de un Agujero Negro pulsante (que los hay)

Desde sus comienzos la Astronomía ha dominada por el uso de instrumentos que detectan luz, desde los primeros telescopios ópticos hasta los más modernos detectores de rayos X y gamma. Fruto de este desarrollo han sido grandes descubrimientos que han ido configurando nuestra de comprender el Universo. Durante el siglo pasado se han empezado a desarrollar nuevas formas de Astronomía basadas en mensajeros diferentes a la luz: detectores de rayos cósmicos, de neutrinos y de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son una consecuencia de la Teoría General de la Relatividad de Einstein y corresponden a oscilaciones de la geometría del espacio-tiempo que se propagan de similar a las ondas electromagnéticas.

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                  Tenemos que buscar la manera de “ver” y “detectar” las ondas gravitacionales

La debilidad de la fuerza gravitatoria hace que la detección de estas ondas suponga un gran reto tecnológico. Sin embargo, desde el punto de vista científico son una gran , ya que transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes que la generaron, la cual en muchos de los casos es difícil o imposible de obtener por otros medios. Este artículo es una introducción a la Astronomía de Ondas Gravitatorias, a sus métodos, a su estado actual y sobre todo a las grandes perspectivas que ofrece con la apertura de una nueva ventana a la exploración del Universo que tendrá un gran impacto tanto en Astrofísica como en Cosmología e incluso en Física Fundamental.

Dentro del marco de la Física Teórica, la gravedad aparece una de las cuatro interacciones fundamentales, siendo las otras tres la electromagnética y las interacciones nucleares débil y fuerte. Electromagnetismo y gravitación son las dos únicas interacciones de largo rango de acción (en principio ilimitado), en contraposición a las dos interacciones nucleares, cuyo rango de acción está limitado esencialmente a regiones cuyo tamaño es del orden de un núcleo atómico o inferior. Una consecuencia directa de esto es que las interacciones nucleares no pueden transportar información a distancias macroscópicas y por lo tanto no son de utilidad la Astronomía. Las otras dos, electromagnetismo y gravedad, se propagan a través del espacio a la velocidad de la luz, tal y como nos indican las teorías de Maxwell y Einstein respectivamente, y tal como comprobamos en diferentes observaciones y experimentos.

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                                            Muchos son los fenómenos que no sabemos entender

Lo que determina la fuerza que estas interacciones producen son su intensidad y las correspondientes susceptibilidades de la materia a ellas, lo que denominamos cargas, la carga eléctrica en el caso electromagnético y la masa en el caso gravitatorio. En la naturaleza observamos que la interacción electromagnética produce fuerzas que son muchos órdenes de magnitud superiores a la de la gravitatoria, que es la más débil de todas las interacciones. Por lo tanto, no es de extrañar que la Astronomía haya dominada completamente por detectores de ondas electromagnéticas y fotones (las partículas cuánticas asociadas a campos electromagnéticos), telescopios ópticos hasta detectores de rayos X y gamma, incluyendo antenas de radio. Gracias a estos instrumentos la Astronomía ha producido grandes revoluciones que han cambiado nuestra percepción del Universo: la Copernicana, que comenzó en el siglo XVI, hasta los descubrimientos en cosmología, que comenzaron en el siglo XX y continúan hoy día.

Gran Nebulosa de Orión

                                  Vistas como esta son posibles gracias a la luz y a los telescopios

Pero no todo lo que se mide u observa en astronomía es luz, hay otros mensajeros que nos informan sobre lo que sucede en diferentes lugares de nuestro Universo: meteoritos, neutrinos, rayos cósmicos (protones, electrones, etc.), ondas gravitatorias. Los meteoritos nos dan información de nuestro entorno local, principalmente del Sistema Solar. Los neutrinos y rayos cósmicos pueden provenir nuestro entorno local hasta galaxias muy distantes. La detección de estas partículas, mediante técnicas similares a las empleadas en aceleradores de partículas, ha dado lugar a una nueva área de investigación muy activa denominada Astropartículas. El mensajero del que trata este artículo son las ondas gravitatorias y su para la investigación astronómica constituye lo que denominamos Astronomía de Ondas Gravitatorias.

Las ondas gravitatorias son una predicción de la Teoría General de la Relatividad (conocida comúnmente como Relatividad General) propuesta por Albert Einstein (1915) para incluir la gravitación en la estructura espacio-temporal propuesta por él mismo en su Teoría Especial de la Relatividad (1905). Uno de los aspectos más destacados de esta teoría es que el espacio deja de ser un simple contenedor  de los fenómenos físicos para convertirse en un objeto dinámico, en el sentido que su geometría cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía. No solo eso, al tiempo físico le sucede algo similar, de que su transcurso también depende de la distribución de masa y energía. En la Teoría de la Relatividad espacio y tiempo aparecen como una única estructura que denominamos espacio-tiempo, cuya geometría está determinada por la distribución de masa y energía, y a su vez,  la geometría determina el movimiento de la materia y de la energía.

La geometría del espaciotiempo que nos da toda la sensación de estar determinada por la presencia de grandes masas de materia que curvan el espacio y distorsionan el tiempo a su alrededor, El Agujero negro es el exponente más claro de esto.

De esta , la gravedad aparece como una manifestación de la geometría espacio-tiempo, una elegante implementación del principio Galileano de que todos los objetos, independientemente de su masa y composición, caen con la misma aceleración. Una consecuencia del carácter dinámico del espacio-tiempo en la Relatividad General es que las oscilaciones de su geometría se propagan como ondas con una velocidad, medida localmente, exactamente igual a la velocidad de la luz. Las ondas gravitatorias, al cambiar la geometría local de las regiones que atraviesan, cambian la distancia física objetos, siendo dicho cambio proporcional a la distancia misma y a la amplitud de ondas. Como en el caso electromagmético este es un efecto transverso, es decir, los cambios en la distancia se producen en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda gravitatoria. Además, tanto ondas electromagnéticas como gravitatorias tienen dos estados de polarización independientes, aunque en teorías de la gravedad alternativas a la Relatividad General puede haber hasta seis polarizaciones independientes.

Una diferencia importante ondas electromagnéticas y gravitatorias tiene que ver con su generación. En el contexto astronómico, las ondas electromagnéticas se generan por cargas aceleradas (emisión predominantemente dipolar), como por ejemplo electrones, cuyo tamaño es muy inferior al de los objetos de los que forman y como consecuencia, pueden emitir luz en una longitud de onda suficientemente pequeña como para realizar imágenes de objetos astronómicos. En contraste,  las ondas gravitatorias se generan por cambios temporales de la distribución de masa-energía de un objeto (radiación predominantemente cuadrupolar), y por este motivo sus longitudes de onda suelen ser del orden del tamaño del objeto que las genera o mayores, con lo cual no es posible en general realizar imágenes. En ese sentido se podría decir que la Astronomía de Ondas Gravitatorias está más cercana a la Acústica que a la Óptica.

Es previsible que, dos objetos masivos (estrellas de neutrones, por ejmplo) se encuentran y giran el uno alrededor del otro, deben desprender una serie de ondas gravitacionales que, captadas a cientos o miles de años-luz de la fuente, deben contar el suceso al científico experto.

La relativa debilidad de la gravedad es la causa de que las ondas gravitatorias tengan una amplitud relativamente pequeña y que su detección sea una empresa extremadamente complicada. Ondas gravitatorias producidas por fuentes galácticas, la colisión de dos estrellas de neutrones, inducen desplazamientos del orden del tamaño de un núcleo atómico o inferiores en un detector terrestre de un kilómetro de tamaño. La gran ventaja que proporcionan las ondas gravitatorias es que por su débil interacción con la materia transportan información prácticamente incorrupta de las fuentes astronómicas que las generaron.

La construcción de un detector de ondas gravitatorias supone un gran reto tecnológico, y tal empresa no comenzó hasta los años sesenta, con el pionero de Joseph Weber en detectores resonantes. El principio de funcionamiento de estos detectores de basa en que una onda gravitatoria que atraviese un sólido cambiará su tamaño de forma oscilatoria, excitando de esta forma sus modos propios de oscilación. La idea por lo tanto es crear un dispositivo que sea sensible a las oscilaciones del sólido y nos permita extraer la señal gravitatoria que las ha producido. Varios detectores de este tipo, la mayoría con forma cilíndrica, se han construido en varias partes del mundo y, contrariamente a las aseveraciones de detección de Weber en los años 70, no han conseguido hasta la fecha detectar ondas gravitatorias. De hecho, ningún tipo de detector las ha detectado. Entonces, ¿estamos seguros de que las ondas gravitatorias existen? ¿Tenemos alguna evidencia de su existencia?

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No por falta de empeño y proyectos , todavía no se han observado (directamente) las ondas gravitatorias predichas por la teoría de la relatividad de Einstein, aunque hay importantes evidencias (indirectas) sobre su existencia. Son extremadamente débiles, por lo que observarlas es extremedamente difícil.

La respuesta a estas preguntas es que sí, y el principal argumento nos lo proporcionó el descubrimiento en 1974 del primer pulsar binario, PSR B1913+16, por Russell Hulse y Joseph Taylor, lo que les valió el premio Nobel de Física en el año 1993. Los púlsares son estrellas de neutrones dotadas de un enorme campo magnético que acelera partículas cargadas produciendo la emisión de un haz de radiación electromagnética en la dirección del eje magnético. Como el eje magnético no suele estar alineado con el eje de rotación, emisión electromagnética describe un cono, convirtiendo los púlsares en faros cósmicos. Si nuestro planeta se encuentra en la dirección del cono de emisión del púlsar observaremos una serie de pulsos de radio, que en caso de los púlsares con rotación más rápida se dan con un ritmo tan uniforme que los convierte en relojes de precisión comparable a los relojes atómicos (¡el púlsar más rápido conocido completa más de 700 revoluciones por segundo! El de Hulse y Taylor!).

El primer púlsar binario conocido, PSR 1913+16, fue descubierto en 1974. Consiste en un púlsar que tiene 17 pulsaciones por segundo, en una órbita altamente excéntrica con un período de 7,75 horas alrededor de una segunda estrella de neutrones en la que no se han observado pulsaciones. Cada estrella tiene unas 1,4 masas solares, próxima al límite de Chandrasekhar, y el período orbital se está acortando gradualmente debido a la pérdida de energía a través de radiación gravitacional.

Otro púlsar binario destacable es PSR 1957 + 20, llamado en ocasiones púlsar de la viuda negra, en el que la intensa radiación procedente del pulsar está evaporando su pequeña estrella compañera. Algunos púlsares binarios se saben que son púlsares reciclados que han adquirido altas velocidades de rotación debido a la acreción de gas procedente del compañero.

        Escenas como son corrientes en las galaxias

Esto permite observaciones astronómicas de una precisión sin precedentes. El púlsar de Hulse y Taylor orbita alrededor de otra estrella de neutrones de que el tamaño de la órbita es suficientemente pequeño (la distancia mínima entre ellas es aproximadamente la mitad de la distancia de la Tierra al Sol) como para que estas estrellas tan compactas (tienen una masa un poco inferior a una vez y media la masa del Sol pero un radio de tan sólo unos diez kilómetros) se muevan de forma que los efectos relativistas importen para un descripción precisa de sistema. En concreto, el movimiento orbital periódico de tales masas con velocidades considerables (cientos de kilómetros por segundo respecto del centro de masas  del sistema binario) produce cambios periódicos significativos en la geometría del espacio-tiempo de su entorno. Y estos cambios  periódicos en la geometría no son más que ondas gravitatorias que se propagan en todas las direcciones llevándose consigo energía y momento angular del sistema.

emisión gravitatoria afecta a su vez al movimiento orbital, disminuyendo su tamaño y periodo orbital, tal y como se observa. También se pueden observar otros efectos relativistas como la precesión del periastro de la órbita. Los 35 años de observaciones del púlsar binario de Hulse y Taylor han permitido comprobar que la evolución de su órbita coincide con la predicha por el mecanismo de emisión de radiación gravitatoria de la Relatividad General con una precisión relativa del 0.2%. Actualmente se conocen otros púlsares binarios y algunos de ellos se encuentran en un régimen relativista. El denominado púlsar doble, PSR J0737-3039A/B, un sistema binario compuesto por dos púlsares, se ha convertido recientemente en el mejor test disponible de la Relatividad General, alcanzado precisiones relativas del 0.05%.

Detector LIGO de ondas gravitatorias

Uno de los dos detectores LIGO, situado en Livingston (Luisiana), con brazos de cuatro kilómetros de longitud.- LIGO/CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY. Se han ideado para localizar las ondas gravitacionales que vienen del pasado salidas de sucesos como el big bang o agujeros negros que colisionan, estrellas de neutrones que se fusionan y otros eventos cosmológicos que nos pueden contar muchas cosas del Universo que ahora no conocemos.

Estos descubrimientos han contribuido a impulsar el desarrollo de detectores de ondas gravitatorias, y los que hoy en día han alcanzado una mayor sensibilidad son los llamados detectores interferométricos. Son básicamente interferómetros del tipo Michelson-Morley dispuestos en una de L y el concepto de funcionamiento es relativamente simple: cuando una onda gravitatoria incide perpendicularmente al plano del detector produce cambios en la longitud de los brazos del interferómetro, de forma que mientras uno se acorta el otro se alarga y viceversa. Estos cambios dan lugar a interferencias de las cuales se puede inferir el patrón de las ondas gravitatorias que han atravesado el detector. Actualmente hay varios detectores interferométricos terrestres en operación: LIGO en los Estados Unidos (dos de 4 km y uno de 2 km de brazo); VIRGO en Italia con participación de varios países europeos (3 km de brazo); GEO600 en Alemania con participación británica (600 m de brazo). Aparte hay varios proyectos en desarrollo en diversas partes del planeta, como por ejemplo el LCGT en Japón 83 km de brazo), un ambicioso proyecto recientemente aprobado que sustituye al anterior detector TAMA y al prototipo CLIO, y que se convertirá en el primer detector interferométrico de tipo criogénico. La banda de frecuencias a la que operan está contenida en el rango 10- 10000 Hz. A frecuencias más bajas están limitados por ruido sísmico y el gradiente gravitatorio, mientras que a frecuencias más altas están limitados por el ruido de los fotodetectores.

Observatorio de ondas gravitatorias con Interferómetro Láser (LIGO) ubicado en Louisiana&Washington, USA
Observatorio de ondas gravitatorias con Interferómetro Láser (LIGO)

Pese a que no se han realizado aún detecciones, observaciones de LIGO han servido producir nueva ciencia mediante el análisis de las consecuencias de las no detecciones al nivel de sensibilidad actual. Se pueden destacar dos resultados: (1) En la constelación del Cangrejo hay un púlsar joven resultado de una supernova (explosión de una estrella). La frecuencia rotacional de púlsar disminuye con el tiempo. LIGO ha limitado a un 4% la contribución de una hipotética emisión de radiación gravitatoria, lo cual excluye diversos modelos astrofísicos que trataban de explicar fenómeno. (2) La teoría cosmológica de la gran explosión (Big Bang) requiere una fase primitiva de gran expansión del Universo que daría lugar, entre otras cosas, a un fondo de radiación gravitatoria. Las observaciones de LIGO han puesto límites a la densidad de energía almacenada en este fondo, mejorando los límites impuestos por la teoría de de elementos primordiales, parte a su vez del modelo estándar de la Cosmología. Durante el presente año, tanto LIGO como VIRGO pararán las operaciones para incorporar tecnología avanzada: mejora de los sistemas de vacío, láseres de precisión más potentes y mejoras de los sistemas ópticos y mecánicos. Con esto se logrará una mejora de un orden de magnitud en la sensibilidad, lo cual equivale a aumentar en tres órdenes de magnitud el volumen del cosmos que cubrirán. Al mismo tiempo se realizará la construcción del detector criogénico LCGT en la mina de Kamioka (Japón). Una vez estos modelos avanzados entren en operación se espera que realicen detecciones de radiación gravitatoria con un ritmo, de acuerdo con los pronósticos astrofísicos sobre la información de las fuentes de ondas gravitatorias relevantes, de 10-1000 eventos por año.

      En lugares como este, la gravedad interviene para formar estrellas nuevas. La imagen es de NGC 604, una región H II gigante en la galaxia del Triángulo. En estos lugares, la fuerza de Gravedad, las ondas que se emiten al choque del material ahí presente, los vientos estelares… Son el motivo de que el gas y el polvo ahí presentes se distorsionen y formen figuras arabescas que, no pocas veces, están llenas de belleza.

Las principales fuentes astrofísicas y cosmológicas para estos detectores terrestres son: colisiones de sistemas binarios formados por agujeros negros estelares y/o estrellas de neutrones; oscilaciones de estrellas relativistas; supernovas; fondos cosmológicos de diverso origen. Estas observaciones revelarán información clave para entender la de objetos compactos estelares, la ecuación de estado de estrellas de neutrones, la validez de la Relatividad General, etc.

Por otra parte, la Agencia Europea del Espacio (ESA) y la Administración Nacional para el Espacio y la Aeronáutica norteamericana (NASA) colaboran en la construcción de un observatorio espacial de ondas gravitatorias, la Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA), que se espera que se lance durante la década de 2020. Hay dos motivos de peso para construir un observatorio espacial. El primero es cubrir la banda de bajas frecuencias, en el rango 3x10⁻⁵ – 0.1 Hz, inaccesible a los detectores terrestres. El segundo es que banda de frecuencias da acceso a fuentes de ondas gravitatorias y a una ciencia completamente diferente, con muchas más implicaciones para el panorama de la Astrofísica y la Cosmología. LISA se compone de tres naves espaciales dispuestas en un triángulo equilátero, de 5 millones de kilómetros de lado, y que siguen una órbita alrededor del Sol. Para que la dinámica propia de cada nave preserve lo más posible la configuración triangular, esta ha de estar inclinada 60º respecto del plano de la eclíptica. De esta el triángulo gira sobre su baricentro una vez por año/órbita, lo cual introduce una modulación en las señales gravitatorias que es muy útil para localizar los objetos que las emitieron. LISA es una misión con una tecnología muy novedosa y exigente que una misión precursora de la ESA, LISA PathFinder, se encargará de demostrar. Nuestro grupo en el Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC) participa en el desarrollo de esta misión contribuyendo con algunos instrumentos fundamentales, como por ejemplo el ordenador que controlará el denominado LISA Technology Package,  el conjunto de experimentos que LISA PathFinder realizará.

LISA hará sus observaciones en un intervalo de frecuencia bajo que no es posible con detectores basados en la Tierra. Estos detectores están afectados por el ruido ambiental de la Tierra, causado por los terremotos y otras vibraciones, y sólo pueden hacer observaciones a frecuencias mayores de 1 hertzio. Sin embargo, los detectores terrestres, tales como el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) o VIRGO, y LISA se complementarán. En el espacio, LISA “oirá” el ruido sordo largo y bajo de las ondulaciones del espacio-tiempo. En la Tierra, LIGO y otros sistemas “oirán” las ondulaciones del espacio-tiempo de frecuencia más alta. LISA observará los binarios miles de años antes de que éstos choquen. Los detectores terrestres observarán otros binarios justo antes de chocar, cuando sus velocidades orbitales son mucho más altas. Se necesitan ambos tipos de observatorios para oír el amplio espectro de ondulaciones en el espacio-tiempo.

Pasando a la científica de LISA, uno de los principales puntos a resaltar es el hecho de que actualmente LISA es el único proyecto de detector de radiación gravitatoria del que conocemos fuentes garantizadas. Se trata de sistemas binarios galácticos con periodos inferiores a 2 horas, conocidos como binarias de verificación ya que serán muy útiles para la calibración de LISA. Además, se espera que LISA observe principalmente las siguientes fuentes de ondas gravitatorias: Sistemas estelares binarios en nuestra galaxia y algunos extragalácticos. LISA detectará varios millones de estos sistemas, la mayor de los cuales formarán un fondo de radiación gravitatoria y los más brillantes podrán resolverse y separarse de este fondo. Caída orbital y colisión de agujeros negros supermasivos. Las observaciones astronómicas nos proporcionan evidencia de que prácticamente todas las galaxias contienen un agujero negro en su núcleo central y que estas, a lo largo de su historia, han sufrido varias colisiones con otras galaxias. Cuando dos galaxias colisionan para formar una nueva, sus respectivos agujeros negros migran hacia el nuevo núcleo debido a la fricción dinámica, donde forman un sistema binario cuya órbita, a partir de un determinado momento, se reducirá por emisión de radiación gravitatoria hasta la colisión final, que resultará en la de un único agujero negro.

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Un equipo, con participación del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha descubierto, por casualidad, una docena de sistemas estelares binarios con peculiaridades jamás vistas. Se trata de sistemas compuestos por pares de enanas blancas más ligeras de lo habitual y que, según sus cálculos, acabarán fusionándose en un único objeto.

LISA será capaz de detectar todas estas colisiones dentro de nuestro Universo observable. La captura y posterior caída orbital de objetos estelares compactos (enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros estelares) hacia agujeros negros supermasivos. En el núcleo galáctico, en torno a los agujeros negros supermasivos, hay una gran concentración de objetos estelares compactos. Eventualmente, y debido a interacciones gravitatorias entre ellos, uno de estos objetos estelares puede ser capturado por la gravedad del agujero negro supermasivo e una larga caída en espiral hacia este (debido a la emisión de radiación gravitatoria del sistema) hasta ser finalmente absorbido por él. Esta caída es lenta. De tal forma que LISA podrá detectar la radiación gravitatoria emitida durante cientos de miles  de órbitas durante el último año de uno de estos sistemas, y esto supone que podremos extraer sus parámetros físicos co una gran precisión. Fondos de radiación gravitatoria de origen cosmológico. De acuerdo con esa mayoría de mecanismos teóricos que los predicen, el espectro de estos fondos es muy amplio (en algunos casos es plano o ligeramente inclinado) y pueden ser observados por detectores que operen en diferentes partes del espectro gravitatorio.

La detección de las fuentes descritas permitirá desarrollar una ciencia muy amplia y revolucionaria, que influenciará tanto la Astrofísica y la Cosmología como la Física Fundamental. Sobre la ciencia que se espera desarrollar con LISA podemos destacar: comprensión de la dinámica de los núcleos galácticos; comprobar la validez de diferentes modelos de de galaxias; comprobar si los agujeros negros son como los describe la Relatividad General (caracterizados únicamente por su masa y momento angular intrínseco); poner a prueba teorías alternativas a la Relatividad General; etc.

Aparte de los detectores de ondas gravitatorias descritos, se ha propuesto otra de detectar ondas gravitatorias basada en el ajuste temporal (timing)  de un conjunto de púlsares con periodos del orden de milisegundos. Cuando una onda gravitatoria pasa a través de la región entre los púlsares y la Tierra produce cambios en los tiempos de llegada de los pulsos. Con una tecnología adecuada, un buen de púlsares (un par de decenas) y un tiempo de observación suficientemente largo (unos diez años), la presencia de ondas gravitatorias, en la banda ultra baja, entre 10⁻⁹ y 10⁻⁷ Hz, puede ser detectada. Las fuentes en banda incluyen los agujeros negros más masivos, con masas superiores a cientos de millones de veces la masa del Sol, y fondos de radiación gravitatoria de origen diverso.

Impresión artística de las ondas gravitatorias producidas por un sistema binario de dos agujeros negros.
[Foto: K. Thorne (Cal-tech) y T. Carnahan (NASA GSFC)

La Astronomía de Ondas Gravitatorias se inició durante la segunda mitad del siglo pasado y ha de tener su época de esplendor a lo largo de la primera mitad del presente, con la puesta en funcionamiento de la segunda generación de detectores terrestres como LIGO, VIRGO, Y LCGT, con el futuro observatorio espacial LISA, con la observación de múltiples púlsares y con el desarrollo de proyectos de tercera generación que están siendo actualmente debatidos y diseñados. Cada vez que en Astronomía se ha abierto una nueva ventana a la exploración del Universo (infrarroja, radio, rayos X, rayos gamma, etc.) se han realizado grandes descubrimientos. Muchos de ellos han consistido en la aparición de nuevos objetos astronómicos y/o nuevos fenómenos físicos, la mayoría de veces de forma inesperada. La Astronomía de Ondas Gravitatorias abrirá una nueva ventana usando una nueva herramienta, un mensajero cósmico, la gravedad, y con ello nos esperan nuevas sorpresas y grandes descubrimientos que pueden cambiar nuestra forma de ver el Universo.

Excepto algunos adornos personales.

La Fuente: Revista de Física, volumen 25 nº 2/2011

Autores: Alberto Lobo y Carlos F. Sopuerta

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